Вспомогательный водоотлив при проведении наклонных выработок

6.1 Актуальность вопроса

Водоотлив занимает одно из первых мест по важности в процессе функционирования горного предприятия, именно от его работы зависят показатели работы и безопасность предприятия в целом. Водоотлив характеризуется высокими требованиями к надёжности, а также высокими энергозатратами. Поэтому возникает проблема повышения надёжности и уменьшения любыми путями энергозатрат. Как известно отвод воды осуществляется напорным и самотёчным путём, напорным отводится жидкость по трубам с применением насосных установок, самотечным способом отводится вода по канавкам, которые предварительно проделаны в грунте выработки. В состав напорного водоотлива входят: насос, привод – электродвигатель, подводящий и нагнетательный трубопровод с запорной арматурой. Самотёчный водоотлив происходит за счет геометрической разности высоты грунта выработок и требует предварительно проделанных канавок в почве выработок. В общем случае водоотлив делится на 3 группы: главный, вспомогательный, участковый. На практике, в большинстве случаев, вспомогательный водоотлив перекачивает воду в водосборники участкового водоотлива, из которых вода в свою очередь перекачивается в главный водосборник. Вспомогательный водоотлив имеет свою специфику, прежде всего, невозможно создать водосборник, а также очистить воду от примесей.

6.2 Проходческий водоотлив при проведении наклонных выработок

В качестве примера приведём схему водоотлива участка при проведении вспомогательной выработки сверху вниз.

Рис. 6.1. Схема проходческого водоотлива (1 – проходческий комбайн, 2 – винтовой насос, 3 – вентиляционная труба, 4 – всасывающий трубопровод).

При проведении наклонных выработок было – бы рационально использовать винтовые насосы, т.к. они имеют ряд преимуществ:

1. отсутствие движущихся частей, надёжность в работе, простота ухода и ремонта;
2. возможность откачки воды бесперебойно и с большим количеством механических примесей;
3. малый размер в плане и небольшой вес;
4. возможность применения в самых тяжелых условиях;
5. нечувствительность к поступлению воздуха во всасывающий трубопровод, что позволяет откачивать воду из неглубоких приямков;
6. отсутствие заливки воды перед пуском.

Но вместе с тем имеется ряд недостатков:

1. низкий КПД (17-20%).
2. повышенный расход трубопроводов.
3. относительно малый напор (до 100м).

Несмотря на перечисленные недостатки водоотливные установки, оборудованные винтовыми насосами, очень хорошо себя зарекомендовали и их стоит применять.

Винтовой насос имеет ряд конструктивных особенностей, что проявляется в процессе его работы. Рабочий орган винтовых насосов изготовлен из стали в виде однозаходного винта 1, вращающегося в резиновой обойме 2, внутренняя полость которой выполнена по форме двухзаходной винтовой поверхности с шагом, в два раза большим шагом винта. Винт движется с помощью тяги 3, который закреплен на шарнире 4, закрепленном в подшипниковом узле 6. Насос приводится в действие с помощью привода 8 и двигателя 9. Во время работы винт вращается вокруг собственной оси, и одновременно его ось совершает планетарное движение. Винтовые насосы хорошо работают на загрязненной воде, развивают высокий напор, их эксплуатация не требует квалифицированного обслуживания и систематического ухода, но главным минусом является быстрый гидроабразивный износ.

Рис. 6.2. Схема винтового насоса 1В

Рис. 6.3. Винтовой насос 1В в разрезе

Под гидроабразивным износом понимают разрушение поверхностей деталей проточной части насосов в результате механического воздействия находящихся в воде взвешенных твердых частиц. В процессе разрушения происходит изменение формы и линейных размеров деталей. Винт из-за мелких частиц быстро изнашивается и не перекрывает все резиновое уплотнение (рубашку), что приводит к потере давления и снижению КПД.

Скорости в каналах грунтовых насосов около 30 м/сек, размер отдельных включений в современных больших насосах может достигать 500 мм. Эти включения бомбардируют внутренние поверхности проточных каналов под всевозможными углами. Все это создает условия быстрого изнашивания грунтовых насосов. Практика показывает, что большая часть поломок в указанных двигателях и насосах происходит из-за эластомера статора. Эластомерные статоры обычно ломаются из-за высокой механической нагрузки, износа, эрозии и абразивного истирания, несоответствия текучей среды. При работе в условиях большого перепада давлений или с постепенной эрозией увеличиваются внутренние утечки, и производительность системы постепенно уменьшается.

6.3 Мероприятия по борьбе с износом грунтовых насосов

Известны следующие мероприятия по борьбе с износом грунтовых насосов:

1. улучшение гидравлических условий протекания пульпы в каналах грунтовых насосов;
2. защита всевозможных зазоров в грунтовых насосах от попадания твердых частиц;
3. увеличение износостойкости материала, из которого изготовляют детали грунтовых насосов;
4. применение защитных вкладышей;
5. конструктивные усовершенствование грунтовых насосов в целях сокращения времени, необходимого на смену износившихся деталей.

Чтобы хоть как-то продлить эксплуатацию изношенной рубашки насоса ее пытаются придавить к винту забивая клинья между корпусом насоса и рубашкой. Эффект от такой "модернизации" незначительный и непродолжительный. Деформируясь, рубашка создает дополнительное трение, что увеличивает сопротивление вращения винта. Это приводит к более быстрому износу уплотнений.

Винтовой насос создаёт значительно меньший шум, чем турбинный, а его напор и подача значительно выше. Тем не менее, этот насос не приспособлен перекачивать вместе с водой абразивные примеси в виде песка и мелких кусков породы, избавиться от которых в проходческом забое практически невозможно.

Таким образом, имеющееся серийное насосное забойное оборудование не отвечает всем требованиям водоотлива проходческого забоя. Чтобы обеспечить скоростную проходку, необходимо разработать специальную технологию забойного водоотлива, которая была бы лишена перечисленных недостатков, отличалась простой обслуживания и надежностью в работе.

6.4 Водоотлив со струйным насосом

В нынешнее время всё чаще в водоотливе используются специальные средства водоотлива, наибольшее распространение получили гидроэлеваторы или их ещё называют струйные насосы.

В основу работы струйных насосов положена передача энергии от потока жидкости, обладающего большей энергией, к потоку жидкости обладающего меньшей энергией. Первый поток считают потоком рабочей жидкости, второй поток потоком пассивной жидкости.

Физически передача энергии от рабочей жидкости к пассивной невозможна, но ёё можно добиться косвенным путём.

Конструктивным элементом в струйном насосе, который позволяет выполнить передачу энергии от рабочего к пассивному потоку жидкости является насадка, в которой за счёт сужения сечения проточной части вся потенциальная энергия сжатой рабочей жидкости преобразуется в кинетическую.

В камере смешения происходит столкновение потоков жидкости и передача энергии. В процессе такого столкновения происходит процесс, когда большая часть энергии рабочей жидкости, переходит в тепловую энергию, что значительно снижает КПД.

Предлагается разработать для конкретных условий гидроэлеватор согласно приведенной ниже конструктивной схеме. Преимуществом такой конструкции является простота изготовления, прямоточность (пониженное гидравлическое сопротивление),надежность всасывающего трубопровода. Однако присутствует и недостаток – сложность соосного (коллинеарного) расположения форсунки и камеры смешения, от которого значительно зависят параметры гидроэлеватора.

Рис. 6.4. Предлагаемая схема струйного насоса для проходческого водоотлива

Данная схема имеет ряд преимуществ и поэтому внедряется в производство.

6.5 Автоматизация вспомогательного водоотлива

В нынешнее время первоочередной задачей для успешного функционирования, повышения эффективности работы, создания безопасных условий труда рабочих стоит задача внедрения новых средств автоматизации и систем на базе микропроцессорной техники.

Предлагается для вспомогательного водоотлива внедрить следующую схему:

Рис. 6.5. Схема автоматизации проходческого водоотлива

Принцип работы схемы заключается в следующем: при достижении аварийного уровня воды в водосборнике датчик уровня ДУ2 выдает сигнал аварийного уровня, в результате чего у диспетчера появляется сигнал аварийного уровня, а устройство выдает по программе сигналы включения второго насосного агрегата, который будет работать совместно с включившимся при верхнем уровне насосом до тех пор, пока уровень воды не снизится ниже аварийного.

Датчики ДУ1 и ДУ2 являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический),удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

Для автоматизации участкового водоотлива с использованием струйного насоса достаточно в приведенной выше схеме задействовать датчики ДУ1 и ДУ2 для измерения уровня воды и выводы DO2 и DI1 для управления электрозадвижкой. При повышении уровня воды до уровня датчика ДУ2 аппаратура управления подаст сигнал и откроет задвижку рабочей воды струйного насоса. После откачки воды до уровня датчика ДУ1 подается сигнал на закрытие задвижки З1.

При использовании отдельного насоса для подачи рабочей воды в гидроэлеватор или при использовании винтового насоса дополнительно задействуются выводы АI1 – АI3 для датчиков и DO1 для пускателя двигателя насоса.

Также аппаратура автоматизации обеспечит автоматический контроль работающего насосом и аварийное его отключение, в случае если он не достиг заданной производительности или при возникновении отказа в его работе (перегрев подшипников, короткое замыкание в приводе и т.д.).

В заключение следует отметить, что для обеспечения надёжной работы струйного насоса для участкового проходческого водоотлива следует решить следующие вопросы:

1. выбрать рациональный режим работы струйного насоса;
2. определить расход рабочей жидкости;
3. произвести расчет и выбор геометрических параметров струйного насоса;
4. выбрать и обосновать источник рабочей воды;
5. внедрять системы автоматизации водоотлива, что позволит повысить безопасность и технико – экономические показатели работы.

Ключевые термины:

Автоматизация — одно из направлений научно-технического прогресса, использующее саморегулирующие технические средства и математические методы с целью освобождения человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов, изделий или информации, либо существенного уменьшения степени этого участия или трудоёмкости выполняемых операций.

Винтовой или шнековый насос — насос, в котором создание напора нагнетаемой жидкости осуществляется за счёт вытеснения жидкости одним или несколькими винтовыми металлическими роторами, вращающимися внутри статора соответствующей формы. Винтовые насосы являются разновидностью роторно-зубчатых насосов и легко получаются из шестерённых путём уменьшения числа зубьев шестерён и увеличения угла наклона зубьев.

Гидроабразивный износ –во многом сходен с газоабразивным, но носителем абразивных частиц является не газ, а жидкость. Гидроабразивному износу подвергаются рабочие колеса и улитки земснарядов и песковых насосов, лопасти и камеры гидротурбин, работающие на реках, несущих большое количество абразивных частиц.

Горная выработка — искусственная полость, сделанная в недрах земли или на поверхности.

Датчик – это самостоятельное конструктивно автономное средство измерений, размещаемое в месте отбора информации, исполняющее функцию первичного преобразователя измеряемой величины в электрическую или электромагнитную величину, состоящее из минимально необходимого числа звеньев преобразования измеряемой величины, обладающее однозначной функцией преобразования и требуемыми для данных целей измерений взаимосогласованными (непротиворечивыми) метрологическими и надёжностными характеристиками..

Надёжность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Струйный насос — устройство для нагнетания (инжектор) или отсасывания (эжектор) жидких или газообразных веществ, транспортирования гидросмесей (гидроэлеватор), действие которого основано на увлечении нагнетаемого (откачиваемого) вещества струёй жидкости, пара или газа (соответственно различают жидкоструйные, пароструйные и газоструйные насосы).

Контрольные вопросы

1. Какие основные проблемы проходческого водоотлива?
2. Назовите основные преимущества винтовых насосов.
3. Назовите основные недостатки винтовых насосов.
4. Почему винтовые насосы теряют популярность в практике проходческого водоотлива?
5. В чем преимущества гидроэлеваторов (струйных насосов)?
6. В чем недостатки гидроэлеваторов?
7. Опишите процесс автоматизации проходческого водоотлива.

Краткие итоги

• Рассмотрели актуальность модернизации проходческого водоотлива
• Рассмотрели преимущества и недостатки водоотлива со струйными и винтовыми насосами
• Изучили теоретические процессы происходящие в винтовых насосах
• Предложили схему автоматизации проходческого водоотлива с гидроэлеваторами